H.265在安防高清的應用價值分析

□ 文 /呂凈

安防行業的突飛猛進，人們對視頻監控有了更高的追求，在未來一段時間內，高清化、智能化依然是視頻監控發展的主旋律。高清化的普及，使高清帶來的海量數據存儲與分析問題變得更加引人注目，如何解決超高清與低存儲之間的矛盾，讓客戶體驗進一步提升，成為安防行業面臨的主要問題。隨著大安防時代的到來，4K和H.265編碼技術相繼問世，使安防行業“高分辨率化”的腳步向前邁進。

4K超高清的發展需求

人們對高清的追求是永無止境的，為獲得更高的清晰度和更豐富的畫面細節，4K技術因運而生。4K因其橫向解析度約為4000像素而得名，其分辨率主要有3840*2160和4096*2160兩種規格，4K分辨率相當于1080P的4倍，720P的8倍。4K技術畫面更加自然清晰，畫面細節更加豐富，在相同清晰度下其覆蓋區域是1080P攝像機覆蓋區域的4倍，所以部署4K攝像機可以降低成本，節省點位數。

但4K發展的限制是其需要現有H.264編碼下四倍的超高帶寬和存儲空間，基本上超出了大部分網絡的承受極限，存儲成本大大增加。帶寬、存儲、網絡和系統建設成本等發展限制成為制約行業快速向全面超高清化發展的天花板。這個問題，在H.265編碼技術推出后，得到了很好解決。

H.265編碼技術特點

為了面對以上發展趨勢，2010年1月，ITUTVCEG和ISO/IEC MPEG聯合成立JCT-VC了聯合組織，統一制定H.265下一代編碼標準：HEVC。H.265高效視頻編碼協議標準于2013年2月份正式在業界發布，確定整個基本框架結構。H.265保留了H.264的某些技術，同時對一些相關的技術加以改進，以改善碼流、提升編碼質量、優化延時與算法復雜度之間的關系，達到最優的編碼設置。

主要研究內容包括：提高壓縮效率、提高錯誤恢復能力、減少實時的延時、減少信道獲取時間和隨機接入時間、降低復雜度，旨在解決有限帶寬下傳輸更高質量的網絡高清視頻。

二叉樹的編碼分隔

隨 著 分 辨 率 的 提 高，H.264的 4×4、8×8、16×16宏塊類型編碼結構會造成宏塊數量的爆發性增長，宏塊信息的大量冗余。H.265引入了32×32、64×64甚至于128×128的宏塊，靈活多變的宏塊結構可以根據圖像細節的多少采取適當的劃分格式，降低冗余的宏塊個數，控制用于描述宏塊內容的參數信息，實現編碼數據量的降低。同時，采用了更加靈活的編碼結構來提高編碼效率，包括編碼單元、預測單元和變換單元。將三個單元獨立化，使得各個處理單元能夠更加優化的完成各自的功能，實現編碼的靈活高效。

豐富的預測編碼技術

H.265的幀內預測將原有的8種預測方向擴展為33種，覆蓋整個180度的范圍，并提供了DC和PLANAL兩種平面預測方式，共計35種預測方式，提高了幀內預測的精度。

幀間預測是利用視頻時間域的相關性，使用鄰近已編碼圖像像素預測當前圖像的像素，以達到有效去除視頻時域冗余的目的。空域上相鄰的運動矢量（MV）具有較強的相關性，H.265利用此特點提出了Merge和AMVP技術，都使用了空域和時域MV預測思想，通過建立候選MV列表，增加運動矢量預測值的候選個數，選取性能最優的一個作為當前預測單元的預測MV。

高精度的變換方式

H.265使用4種整數DCT變換，分別為4*4、8*8、16*16、32*32，更高的尺寸可以體現像素間的相關性，壓縮率更高。H.265的整數DCT變換通過與較大的數相乘來保留一定的小數精度，比H264更接近于浮點DCT的值。

采樣點自適應偏移

在編解碼環路內的去塊濾波之后引入采樣點自適應偏移，SAO濾波的實質就是對去塊濾波后的重建像素按照不同的模板進行分類，并對每種分類像素進行補償，達到減少失真，提高壓縮率，降低碼流的目的。

并行處理

H.265具有多級的并行處理方式：波前并行處理：解碼時各行并行處理，次第減少；圖像組級并行處理：編碼器多線程處理，每次處理一個GOP；圖像級并行處理：IP幀為參考幀，但同級的B幀不會相互參考，高級的B幀也不會參考低級的B幀，所以可將B幀送給不同的運算單元類進行處理，使低級B幀提前解碼完成；獨立解碼片（Slice）級并行處理：各片獨立，并行解碼；獨立解碼矩形（Tile）級并行處理：Tile間相互獨立，并行解碼；樹形結構塊（CTB）級并行處理：波前并行處理；熵編碼并行處理：提高了壓縮能力，降低對上下文存儲的需求。

H.265的研發難點

芯片層

H.265編碼器在算法的靈活度方面要大大加強了，最典型的是摒棄了以往以16×16固定編碼塊大小的做法，而是采用了更為靈活的編碼塊結構，這種靈活的結構使H.265的運算復雜度較H.264有數量級上的增加，需要芯片有更高的運算速度，以減少硬件資源占用和系統運行時鐘。其次，H.265具有多級的并行處理方式，需要更多的硬件設計技巧和方法。

設備層

H.265的發展需要完整生態環境支持，涉及到采集、編碼、傳輸、存儲、譯碼顯示各個方面。首先在編碼階段，需要在低碼率下提供更高清晰度的圖像，實現最優的宏塊劃分，使細節還原更貼近真實；其次是在傳輸及存儲上，必須要對整個監控網絡進行合理的升級和維護，需要能夠傳輸4K信號的傳輸介質，使其支持高分辨率數據的實時傳送，同時，高分辨率顯示技術的攝像機對于NVR、DVR、平臺服務器等設備的要求更高，后端需要更強的解碼能力、更大的存儲空間和更強的處理性能。

H.265的應用價值

高壓縮率

H.265采用多樣的宏塊劃分方式、幀內預測方向和幀間預測技術，具有更好的運動補償處理方式和矢量預測方法，編碼更加靈活，編碼數據大幅降低。相比H.264，H.265編碼可將碼流降低40～50%，壓縮比達到400:1，編碼耗時降低70～80%。

高分辨率

H.265支持4K和8K（8192*4320）超高清分辨率，計算能力不再受到制約，跟上了顯示屏高分辨率的腳步，使用戶體驗得到大幅提升。

存儲便捷

隨著用戶對安防監控中高清視頻的需求越來越高，所需存儲空間急劇上升。與H.264編碼技術相比，H.265的高壓縮率可以節省一半的存儲空間，通過降低碼流來為客戶節省存儲成本。

信息共享

在這個物聯網、云計算的時代，各部門的信息共享尤為重要。原H,264時代，由于分辨率的限制，各部門只能獨立獲取有效數據，造成采集點的冗余，無法實現信息共享。而H.265的超高清攝像機，采集視角廣泛，可以同時實現多項業務的采集需求，減少同區域范圍內的采集節點，有效提高了信息共享的效率。

成本降低

無論是高分辨實現的采集節點數目降低，還是高壓縮率致使的存儲空間下降，都會為客戶節省系統的建設成本。同時，在保證畫面質量不變的前提下，H.265的數據傳輸帶寬和節點數量的明顯降低，對交換機的要求不再苛刻，也為用戶節省了投資成本。

H.265在安防領域的發展

H.265在安防行業具有廣泛的發展前景，已經成為2016年安博會的關鍵詞，成為安防行業各大廠商競相追逐的對象，進行著一場高清化的行業變革。不少安防企業紛紛推出高性能的高清監控產品，為用戶提供更優質的圖像效果，更豐富的監控價值，更便捷的操作管理，更完善的維護體系。

4K高清視頻技術的推廣，只推出單一的前端產品無法滿足客戶的需求，要在“采傳存顯控”各個環節研制出相應的4K產品。為順應4K高清視頻自適應編解碼的需求，為客戶提供一套完整的4K解決方案，天地偉業前端推出了H.265星光級系列產品，星光卡口需要不斷對車輛進行抓拍，對存儲空間和帶寬有很高的要求，H.265技術的引入極大的解決了這個問題，為客戶完美呈現存儲代價小的高清存儲數據；后端推出了M7系列80路16盤H.265 NVR，該產品支持4K高清網絡視頻的預覽、智能檢索和回放；支持國標28181協議，支持自適應H.265/H.264壓縮標準；具有多功能的面板接口：雙HDMI接口，雙VGA接口，雙千兆網絡接口，USB3.0接口，存儲擴展接口ESATA等；提供強大的智能錄像和檢索，與IPC構成強大的智能分析功能，為H.265時代的到來保駕護航。

結束語

超高清技術的發展牽引著H.265的發展應用，H.265支撐著4K的未來，對安防行業的高清化具有良好的促進作用，引領著安防新的技術方向，必將逐步替代H.264，成為視頻壓縮領域發展的主流技術，安防行業的風向標。